repead.ru 1

Министерство образования Российской Федерации


Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана


“УТВЕРЖДАЮ”

первый проректор-проректор по

учебной работе МГТУ им. Н.Э.Баумана

_________________________Е.Г. Юдин

“ ____”___________________2002 г.


Теплофизика: часть I- Термодинамика

(учебная программа)


Факультет "Э"

Специальность 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов" (Э 9)

Специальность 330100 "Безопасность жизнедеятельности" (Э 9)


Виды учебных работ

Объем работ, час




Всего

5 сем

Выделено на дисциплину

102

102

Аудиторная работа

68

68

Лекции

Семинары

Лабораторные работы

34

17

17

34

17

17

Самостоятельная работа

34

34

Домашние задания

18

18

ДЗ № 1


4

4ч., 6 нед.

ДЗ № 2

5

5 ч., 8 нед.

ДЗ № 3

4

4 ч., 11 нед.

ДЗ № 4

5

5 ч., 14 нед.

Самостоятельная проработка курса

12

12

Виды отчетности по дисциплине







Зачет

Экзамен


экзамен


экзамен

Кафедра, ведущая занятия

Э6

Э6



Факультет

“Энергомашиностроение”

Кафедра Э 6

“Теплофизика”

Раздел 1. Цели и задачи дисциплины


Дисциплина входит в цикл “Научные дисциплины специальности”.

Основные цели дисциплины: подготовка специалистов к научно-исследовательской работе и конструированию энергетического и тепломассообменного оборудования различного назначения.

Задачи дисциплины – приобретение знаний, умений и навыков, необходимых при выполнении термодинамических и тепломассообменных расчетов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских задач, связанных с расчетом и проектированием теплоэнергетических машин и тепломассообменного оборудования.



Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в результате изучения дисциплины.


Навыки и умения.

Студент должен уметь:


  1. Сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с расчетом и проектированием энергетических установок различного назначения.

  2. Разработать физическую модель процесса.

  3. Выполнять расчеты состава газовых смесей, термодинамических процессов, газовых и паровых циклов, равновесного состава химически реагирующей смеси.

  4. Согласовать параметры тепломассообменных процессов с общими конструктивными решениями систем.

  5. Оценить эффективность работы различных энергетических установок и аппаратов.


Знания.

Студент должен знать:

1. Законы:

  1. Фундаментальные законы о превращениях энергии в различных термодинамических процессах, первое и второе начало термодинамики, законы истечения, парообразования и дросселирования.

  2. Законы термодинамики и кинетики фазовых превращений и химических реакций, условия химического равновесия и химического сродства. Третий закон термодинамики, закон действующих масс.


2. Характеристики:

  1. Теплофизические характеристики сред.

  2. Характеристики, параметры и функции состояния.

  3. Характеристические функции и дифференциальные уравнения.

  4. Характеристики газовых смесей, их состав.

  5. Характеристики термодинамических процессов, циклов и их эффективности.

  6. Характеристики реальных и идеальных газов.

  7. Характеристики тепловых и холодильных машин.

  8. Характеристики сложных термодинамических систем с фазовыми и химическими превращениями.


3. Понятия:

Термодинамическая система: простая, сложная, закрытая, открытая, изолированная, гомогенная и гетерогенная. Энергия, работа, теплота, энтальпия, энтропия, теплоемкость, процесс, цикл, КПД, тепловой эффект, степень диссоциации, химическое сродство, равновесные и неравновесные процессы, фазовое равновесие, константы равновесия, дросселирование, кипение, парообразование и сублимация.



4. Методики:


  1. Расчета газовых смесей, теплоемкостей, термодинамических процессов, параметров и функций состояния;

  2. Расчета газовых и паровых циклов;

  3. Расчета равновесного состава химически реагирующих смесей;

  4. Расчета эффективности энергетических машин и установок.


5. Приборы и оборудование:

  1. Приборы для измерения теплофизических характеристик твердых и подвижных сред, газового анализа смеси газов.

  2. Приборы для измерения температур, давлений, скоростей, расходов жидкостей и плотностей тепловых потоков, тепловых эффектов.


Основные исходные, профессиональные и интеллектуальные навыки, умения, знания, необходимые для изучения дисциплины.

Изучению данной дисциплины предшествует подготовка студентов по высшей математике, информатике, физике, химии. При изучении указанных дисциплин студенты получают фундаментальную подготовку, основные исходные профессиональные и интеллектуальные навыки, умения и знания, необходимые для успешного усвоения данной дисциплины.

В процессе изучения дисциплины используются технические средства обучения, персональные ЭВМ, комплекс учебно-лабораторных установок, обеспечивающих экспериментальное подтверждение изучаемых законов и процессов.

Применяются активные формы обучения, включающие семинарские и лабораторные занятия, выполнение расчетных домашних заданий, самостоятельную работу студентов под контролем преподавателя. Текущий контроль качества усвоения материала осуществляется путем индивидуального собеседования преподавателя со студентами по результатам лабораторных работ, при приеме домашних заданий, при выполнении самостоятельной работы студентов под контролем преподавателя.


Раздел 2. Содержание дисциплины

2.1. Аудиторная работа - 68 час.

2.1.1. Лекции – 34 час.


  1. Введение - 1 час.

Определение термодинамики как научной дисциплины. Термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики в развитии производительных сил.

Характеристика особенностей термодинамического метода: использование фундаментальных законов природы, макроскопическое описание явлений, пределы применимости метода. Краткие исторические сведения о развитии термодинамики. Роль русских и советских ученых в развитии термодинамики и теплопередачи.


  1. Основные понятия и первое начало термодинамики – 7 часов

Термодинамическая система и окружающая среда. Термодинамические системы: закрытая, открытая (проточная), изолированная.

Рабочее тело как частный случай термодинамических систем.

Внутренняя энергия термодинамической системы. Взаимодействие - обмен энергией между системой и окружающей средой. Понятие о термодинамических степенях свободы - родах взаимодействий. Простая термодеформационная система.

Основные физические концепции, связанные с понятием энергии: многообразие форм движения материи, энергия как общая мера различных форм движения, формы энергии. Тепловое движение как совокупное механическое движение микрочастиц макроскопического тела. Работа различных видов как форма передачи энергии в результате направленного перемещения материи. Теплота как форма передачи энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц. Состояние термодинамической системы: неравновесное, равновесное. Функции состояния.

Первый закон термодинамики - форма закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамической системе. Выражение изменения внутренней энергии замкнутой системы через количества теплоты и работы. Правило знаков. Уравнение I- ого закона термодинамики для конечных и бесконечно малых процессов для полных и удельных количеств рабочего тела. Формулировки первого закона термодинамики.


Параметры состояния системы, функции состояния, независимые переменные. Интенсивные, экстенсивные, полные, удельные, мольные параметры.

Потенциалы (обобщенные силы) термодинамических взаимодействий, их роль при передаче энергии между системой и окружающей средой. Абсолютные давление и температура как потенциал взаимодействий термодеформационной системы.

Координаты термодинамического состояния, их свойства, однозначная связь их изменения с родом взаимодействия в равновесных процессах. Объем как координата деформационного состояния. Энтропия как координата теплового состояния. Принцип существования энтропии.

Понятие об уравнениях состояния. Использование координат состояния в качестве независимых переменных. Калорические и термические уравнения состояния. Термодинамические поверхности состояния. Уравнения Клапейрона-Менделеева и Ван Дер Ваальса — примеры уравнений состояния системы.

Термодинамический процесс — изменение состояния системы в результате её взаимодействия с окружающей средой. Понятие о равновесных и неравновесных процессах. Роль и значение в термодинамике представлений о равновесных состояниях и процессах. Графическое изображение равновесных состояний и процессов на поверхности состояний и в проекциях на координатные плоскости.

Выражение работы объемных деформаций однородной системы через давление и объем. Зависимость работы от характера термодинамического процесса. Уравнение процесса в переменных объем — давление. Графическое представление работы как площади в рабочей диаграмме. Работа замкнутого процесса и отличие бесконечного малой работы от полного дифференциала.

Выражение количества теплоты через температуру и энтропию. Зависимость количества теплоты от характера термодинамического процесса. Уравнение термодинамического процесса в переменных энтропия - температура. Графическое представление теплоты в тепловой диаграмме. Теплота замкнутого процесса, отличие бесконечно малого количества теплоты от полного дифференциала.


Основное уравнение термодинамики - выражение дифференциала внутренней энергии как функции состояния через объем и энтропию как независимые переменные. Роль и значение основного уравнения.

Теплоемкость. Истинная и средняя, удельная, мольная и объемная теплоемкости. Зависимости теплоемкости от характера термодинамического процесса. Вычисление количества теплоты через теплоемкость и изменение температуры. Теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме. Формула Майера.

Шкала абсолютного потенциала взаимодействия. Нулевое начало термодинамики - закон о тепловом равновесии. Условия, необходимые для построения температурной шкалы. Шкала относительной температуры. Шкала абсолютной идеально-газовой температуры. Шкала термодинамической температуры.

Уравнения и формулировки первого начала термодинамики для открытой системы. Работа ввода - вывода рабочего тела. Энтальпия, располагаемая работа. Аналитическое выражение и графическое представление располагаемой работы. Составляющие располагаемой работы для типичных открытых систем.

Термодинамические циклы - основы действия тепловых машин. Условия, необходимые для осуществления прямого термодинамического цикла (цикла теплового двигателя): наличие источника теплоты с повышенной температурой (“горячего источника”), необходимость отвода теплоты от рабочего тела для замыкания цикла, наличие приемника теплоты с пониженной температурой (“холодного источника”). Термический коэффициент полезного действия прямого цикла. Цикл Карно и теорема Карно. Средние эффективные температуры подвода и отвода теплоты и идеальных образцовых циклов реальных двигателей, эквивалентный цикл Карно. Пути повышения термического КПД циклов. Обратные термодинамические циклы. Использование обратных циклов в холодильных машинах, тепловых насосах и термотрансформаторах.

Холодильный коэффициент, отопительный коэффициент, коэффициент трансформации теплоты. Обратные циклы Карно.

Использование цикла Карно для построения термодинамической температурной шкалы. Условия равновесного взаимопревращения теплоты и работы.



  1. Второе начало термодинамики и термодинамика необратимых процессов - 8 часов.

Второе начало термодинамики - совокупность двух независимых положений - принципов энтропии. Принцип существования энтропии, его физический смысл и аналитическое выражение. Односторонняя направленность и термодинамическая необратимость самопроизвольных неравновесных процессов. Диссипация энергии, принцип возрастания энтропии, его физический смысл и аналитическое выражение для термодинамической системы.

Возрастание энтропии изолированной системы взаимодействующих тел при неравновесных процессах и деградации её энергии. Формулировки второго начала термодинамики и их отношение к принципам существования и возрастания энтропии.

Связь деградации энергии с проблемами теплового загрязнения экологической среды обитания человека. Термодинамические аспекты рационального использования энергетических ресурсов окружающей природной среды, в низко температурных и вторичных источниках теплоты, защиты окружающей среды от вредного воздействия теплоэнергетических установок.

Обоснование существования энтропии на основе доказательства теоремы Карно с помощью утверждений (постулатов), относящихся к неравновесным процессам и его несостоятельность. Логическая независимость принципов существования и возрастания энтропии. Рациональность непосредственного постулирования существования энтропии.

Энтропия как характеристика термодинамической вероятности состояния системы частиц.

Ограничения области применения принципа возрастания энтропии. Критика с позиций диалектического материализма реакционного характера концепции “тепловой смерти” Вселенной. Энтропия как характеристика информации.

Понятие о функциях работоспособности закрытой и проточной термодинамических систем. Влияние необратимости на работоспособность. Эксергия. Энтропийный и эксергетический методы оценки эффективности работы тепловых машин, с учетом необратимости процессов.



  1. Характеристические функции и дифференциальное уравнение термодинамики - 8 часов.

Значение характеристических термодинамических функций в построении аналитического аппарата термодинамики. Сопоставление метода циклов и метода термодинамических функций.

Характеристические функции в переменных энтропия-объем (внутренняя энергия), энтропия-давление (энтальпия), температура-объем (свободная энергия, энергия Гельмгольца), температура-давление (свободная энтальпия, энергия Гиббса). Выражение термодинамических величин через характеристические функции. Характеристические функции как термодинамические потенциалы.

Дифференциальные соотношения Максвелла, их применение для выражения одних параметров через другие. Уравнения Гиббса-Гельмгольца.

Значение дифференциальных уравнений термодинамики. Дифференциальные уравнения для внутренней энергии; энтальпии, энтропии и эксергии в независимых переменных температура-объем, температура-давление, объем-давление.

Теплоемкость реальных тел в произвольном термодинамическом процессе. Соотношения между изохорной и изобарной теплоемкостями реальных тел. Зависимость изохорной теплоемкости от объема и изобарной теплоемкости от давления. Получение уравнений состояния из экспериментальных данных по теплоемкости и из выражений для характеристических функции.


  1. Рабочие тела энергетических машин и термодинамические процессы – 6 часов.

Идеальный газ. Роль и значение понятия идеального газа в технической термодинамике.

Термодинамические функции идеальных газов. Теплоемкости идеальных газов, их виды, зависимость от температуры. Характеристики состава газовых смесей, их свойства.

Объем и последовательность расчета термодинамического процесса. Расчет изобарного, изохорного, изоэнтропического и политропного процессов. Диаграмма энтропия-температура идеального газа. Графический расчет процессов с применением диаграмм объем-давление, логарифм объема-логарифм давления, энтропия-температура.


Реальные газы. Отличия реальных газов от идеальных: изменение сжимаемости, возможность фазовых переходов, сложность уравнений состояний. Уравнение Ван Дер Ваальса: метастабильные и неустойчивые состояния, критическая точка. Приведенное уравнение состояния, термодинамическое подобие.

Пары чистых веществ. Изобарный процесс получения перегретого пара из жидкости. Термодинамические параметры жидкости насыщенного, влажного, перегретого пара. Диаграммы объем-давление, энтропия-температура, энтропия-энтальпия. Таблицы термодинамических свойств жидкости и пара.

Расчет термодинамических процессов в парах. Истечение и дросселирование пара.

Основные характеристики влажного воздуха: влагосодержание, абсолютная и относительная влажность, температура точки росы. Диаграмма влагосодержания-энтальпия. Процессы во влажном воздухе. Влажность воздуха как показатель комфортности среды обитания. Кондиционирование воздуха.


  1. Циклы тепловых машин - 4 часа.

Принцип работы и индикаторная диаграмма одноступенчатого идеального компрессора. Работа привода компрессора. Представление о реальном компрессоре. Влияние мертвого объема. Причины применения многоступенчатого сжатия. Индикаторная диаграмма многоступенчатого компрессора. Разбивка перепада давления между ступенями. Понятие о работе центробежных компрессоров.

Разновидности циклов поршневых двигателей. Прямой и обратный циклы.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты. Термический КПД цикла. Понятие о цикле поршневого двигателя с внешним подводом теплоты.

Паровой цикл Ренкина. Термический КПД цикла, пути его повышения. Влияние повышения давления, температуры перегрева пара, регенерации. Применение паросиловых циклов в ядерной энергетике.

Цикл парокомпрессионной холодильной машины. Холодопроизводительность и холодильный коэффициент цикла. Понятие о газовых холодильных циклах и абсорбционных холодильных установок.


Возможности преобразования теплоты в электрическую работу в устройствах безмашинного типа. Понятие о принципах действия магнитогидродинамического генератора, химического элемента термоэлектрического генератора, термоэмиссионного генератора.


  1. Термодинамическое равновесие неоднородных систем и фазовые превращения чистых веществ - 7 часов.

Основные понятия и определения: неоднородные системы переменного состава, фазовая и химическая неоднородность, гетерогенные и гомогенные системы, компоненты, фаза. Приложение первого начала термодинамики к неоднородным системам. Зависимость внутренней энергии от состава системы. Химический потенциал как производная от характеристической функции по количеству компонента при заданных условиях внешнего сопряжения.

Направление изменений в неравновесных неоднородных системах. Применение второго начала термодинамики (принципа возрастания энтропии) для получения общего условия равновесия в виде суммы произведений химических потенциалов на изменение количества вещества в подсистемах. Принцип минимальности характеристических функций.

Фазовое равновесие. Сохранение количества компонента как дополнительное условие равновесия при фазовых переходах в отсутствии химических реакций. Условие фазового равновесия - равенство значений химического потенциала компонента во всех фазах. Правило фаз Гиббса.

Фазовые превращения чистого вещества. Фазовая диаграмма температура-давление для однокомпонентной системы.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса, зависимость температуры кипения от давления. Тройные точки. Понятие о фазовых переходах первого и второго рода в уравнениях Эренфеста.


  1. Термодинамика поточных процессов - 6 часов.

Уравнение энергии одномерного потока в термической и механической формах. Уравнение обращения воздействий.. Исследование и расчет процессов адиабатного истечения с помощью диаграмм энтропия-энтальпия. Движение газа при подводе теплоты.


Адиабатное течение по каналам переменного сечения. Критические условия течения, особенности течения в дозвуковой и сверхзвуковой областях. Сопло Лаваля. Скорость и расход газа при адиабатном течении. Учет трения.

Адиабатное дросселирование. Применение процессов дросселирования для регулирования проточных машин и для получения низких температур. Дифференциальный и интегральный дроссель-эффекты. Температура инверсии и кривая инверсии дроссель-эффекта.


2.1.2. Семинары (17 час.).


упражнения

Тема практического занятия

1

Параметры состояния

2

Газовые смеси и теплоемкости

3


Первый закон термодинамики, аналитический и графический расчет газовых процессов

4

Расчет газовых циклов

5

Расчет процессов истечения и дросселирования

6

7

Расчет паровых циклов: аналитический, графический

по P--V, T--S и H--S –диаграммам и с использованием таблиц

8

Тепловые эффекты реакции

9

Химическое равновесие


2.1.3. Лабораторные работы (17 часа)



Наименование лабораторной работы

1

Исследование индикаторной диаграммы компрессора

2

Определение изобарной теплоемкости воздуха

3

Адиабатное истечение воздуха через сужающееся сопло

4

Исследование термодинамических процессов во влажном воздухе

5

Определение тепловых эффектов реакций горения органических веществ


2.1.4. Самостоятельная работа (34 час.)


а) Домашние задания (18 час.)




Наименование домашних заданий

1

Расчет параметров газовой смеси (4 час.)

2

Расчет газового цикла (5 час.)

3

Термодинамический расчет сопла (4 час.)

4

Реферат "Тепловая смерть вселенной" (5 час)


б) Самостоятельная проработка курса (12 час.)


3.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ


3.1. Основная литература

  1. Техническая термодинамика. Учебник для вузов (под ред. В.И.Крутова) 3-ое изд. М.: Высшая школа, 1991.


  2. Теория тепломассообмена. Учебник для вузов (под ред.А.И.Леонтьева) 2-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.

  3. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена. Учебное пособие для машиностроительных вузов (под ред.В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого) М.: Высшая школа, 1986.

  4. Лабораторный практикум по термодинамике и теории тепломассообмена. Учебное пособие для вузов (под ред.В.И.Крутова и Е.В.Шишова) М.:Высшая школа, 1988.

  5. Исаев С.И. Термодинамика. 3-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.


3.2. Дополнительная литература


  1. Базаров И.П. Термодинамика. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1983.

  2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник для вузов 4-ое изд. М.: Энергоатомиздат, 1983.

  3. 3. Теплотехника. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова). М.: Машиностроение. 1986.


3.3. Перечень пособий.

  1. Для демонстрации на лекциях используются наглядные пособия: комплекты плакатов.

  2. Для демонстрации на лабораторных работах используется: комплекты плакатов.


3.4. Использование ЭВМ.

Для выполнения домашних заданий – 10 часов на ПЭВМ (на каждого студента).

Для проведения и обработки результатов лабораторных работ необходимо выделение следующего количества часов на ПЭВМ — 8 часов (на каждого студента).


Программу составил

к.т.н., доцент . каф. Э-6 Нурков-Морозов Е.Е.

“______”__________г.


Зав.кафедрой Э-6

д.т.н., проф. Хвесюк В.И.

“______”__________г.


Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры Э9


Зав. кафедрой Э9

д.т.н., проф. Белов С.В.

“______”__________г.

Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та “Э”


Председатель методической комиссии

д.т.н., проф. Пластинин П.И.

“______”__________г.


Руководитель НУК “Э” (декан)

к.т.н., доцент Суровцев И.Г.

“______”__________г.


Начальник методического

отдела МГТУ Васильев Н.В.

к.т.н., доцент “______”__________г.